基于人工干预及多线程的试错法推求单位线

2011-12-08鲍瑞雪

黄河水利职业技术学院学报 2011年1期

鲍瑞雪

（河南省洛阳水文水资源勘测局，河南洛阳 471000）

0 引言

水文预报是水文学的一个重要组成部分，它是建立在充分掌握客观水文规律的基础上，预报未来径流变化的一门应用性学科。初期的水文学方法来自对洪水规律的分析和总结，简单、实用，但没有严密的理论基础，基本上属于经验方法，也有人称其为工程师方法。最早的水文学方法出现于20世纪30 年代，比较有代表性的有API 方法、单位线法和马斯京根法。这3 种方法被我国的水文工作者称为水文预报的“老三篇”，至今仍被广泛使用[1]。

经验单位线(Unit Hydrography，简称UH)源自美国，于1932 年由舍尔曼(L. K. Sherman)提出，因此又被称为舍尔曼单位线。最初的单位线法只是用于流域汇流计算，后来扩展到河道汇流演算。推求单位线需用次洪时段净雨量及流域出口断面的径流量和过程，推求方法主要有分析法[2]、试错法[3]、最小二乘法[4～5]。

由于流域汇流的复杂性和测验资料的误差，应用分析法和最小二乘法推求的结果往往会出现锯齿状和负值现象，甚至无法进行分析计算，所以很少有人应用。试错法使用比较广泛，但主要缺点是单位线过程的初始假定比较困难，试错过程的计算大量。鉴于此，本文试提出建立人工干预机制降低单位线初始化难度、引入多线程计算方法提高计算速度的思路，并使用VB.NET 编写应用程序，以期提高试错法推求单位线的效率。

1 水文单位线推求原理及思路

1.1 人工干预机制的建立

用试错法推求单位线时，初始单位线假设的好坏直接影响迭代试算的次数。这就要求预报人员不但具备丰富的经验，还要对当地的水文特征有很深的理解。这样就限制了试错法推求单位线的发展。如果使用计算机假设所有单位线的组合，计算量很大。人工干预机制就是预报人员根据经验及单位线的约束关系等，对计算机试算范围做出限定，从而大大减少试算时间。现假设有一条13 个时段的单位线，计算机假设和人工干预的对比分析结果如表1 所示。

表1 人工干预分析表Table 1 Manual intervention analysis

由表1 可以看出，对该单位线，计算机的计算次数是1 00013次，而人工干预需要6×51×41＝12 546次，可见，人工干预设定了较为灵敏的位置，极大地使计算量减少。

1.2 多线程技术的实现

在单个程序中，同时运行多个线程完成不同的工作称为多线程。它是程序中一个单一的顺序控制流程。在这个流程中，多个线程共享数据空间，每个线程有自己的执行堆栈和程序计数器，为其执行上下文。多线程同步完成多项任务，不是为了提高运行效率，而是为了提高资源使用效率，从而提高系统的效率[6]。

使用多线程主要有以下优点[7]：（1）用户界面可以更人性化；（2）程序的运行速度可能加快；（3）在一些等待任务的实现上释放内存占用空间；（4）把耗时长的程序中的任务放到后台去处理。

在VB.NET 程序设计过程中，并不是线程越多计算速度越快[8]。为了得到程序合理的线程数，应选取不同测试环境，对多线程进行测试，最终选取适合的线程数进行程序计算。

2 应用及分析

为验证本文所述方法可行性、有效性，作者使用实测资料进行单位线的推求试验，其步骤及结果如下。

2.1 多线程数的确定

进行程序设计之前，首先应确定多线程数。如，设定一个12 万次的计算循环，在不同平台上分别使用单线程、双线程及三线程来计算，比较计算时间，最后确定程序设计最优的线程数。

经过测试（测试结果如图1 所示），得到双线程计算速度较快的结论。考虑到因测试环境（Windows XP 操作系统，双核CPU，1G 内存）对结果具有一定的影响，得出“几核CPU 就使用几线程”是比较合理的结论。

图1 多线程速度测试结果Fig.1 Multithread speed test result

2.2 初始单位线的假设

在初始化单位线时，需要考虑3 个方面问题：（1）单位线时段长短。单位线时段长不是唯一确定的影响因素，也没有规律可循。程序在单位线初始化设计时，应该考虑单位线时段长度的可变性（例如时段数可在8 到13 之间变化），并生成相应长度的单位线过程。（2）单位线各个时段的变化范围。这一部分是人工干预的主要体现之处。根据经验，设定好各个时段的变化范围，可以有效减少计算次数。（3）单位线各个时段变化增量。增量是单位线从初始值到结束值的变化幅度，它可以控制单位线筛选的密度。实际应用时，可以先使用大增量，初步筛选出单位线变化比较灵敏的区间，再使用小增量，对此区间作进一步筛选，最后求出符合要求的单位线。这样可以提高单位线推求的效率。